CN103110500B - 气动肌肉驱动型两自由度脚踝康复并联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气动肌肉驱动型两自由度脚踝康复并联机器人，包括带有脚套的动平台、转动机构、驱动机构和支架，所述动平台通过转动机构安装在所述支架上，所述驱动机构为气动肌肉，所述气动肌肉安装在所述支架上，所述气动肌肉的活动端通过柔索与所述动平台相连。本发明通过将传统机器人的刚性驱动器替换为气动肌肉，再配合柔索传递动力，解决了病人在康复过程中感觉不适甚至疼痛的问题，有利于病人的康复，且气动肌肉重量轻，使用方便。适用于脚踝的康复。

Description

气动肌肉驱动型两自由度脚踝康复并联机器人

技术领域

本发明涉及医疗器械，具体地说是一种气动肌肉驱动型两自由度脚踝康复并联机器人。

背景技术

近年来，越来越多的人因疾病、交通事故和意外等导致关节和肌肉损伤，而脚踝关节损伤又是其中最常见的损伤之一。踝关节是人体骨骼中最复杂的骨骼结构，它具有背屈/跖屈、内翻/外翻和内收/外展运动。在康复治疗时，背屈/跖屈和内翻/外翻运动对脚踝的康复起主要作用。

目前，一般的脚踝康复机器人大多采用刚性驱动机构作为驱动动力，如电机和直线马达等，这种采用刚性驱动器的机器人容易导致病人在康复过程中感觉不适甚至疼痛，不利于病人的康复；同时，虽然一般的脚踝康复机器人大多采用3自由度以上的多自由度结构，能帮助踝关节进行背屈/跖屈、内翻/外翻和内收/外展运动，但由于自由度较多，所以结构复杂且成本高。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述背景技术存在的不足，提出一种结构简单且成本低的气动肌肉驱动型两自由度脚踝康复并联机器人。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种气动肌肉驱动型两自由度脚踝康复并联机器人，包括带有脚套的动平台、转动机构、驱动机构和支架，所述动平台通过转动机构安装在所述支架上，所述驱动机构为气动肌肉，所述气动肌肉安装在所述支架上，所述气动肌肉的活动端通过柔索与所述动平台相连。通过将传统机器人的刚性驱动器替换为气动肌肉，再配合柔索传递动力，解决了病人在康复过程中感觉不适甚至疼痛的问题，有利于病人的康复，且气动肌肉重量轻，使用方便。

在上述方案中，所述转动机构和支架之间设有柔索导向定位机构，所述柔索导向定位机构包括带导向定位孔的定平台和支撑杆，所述定平台通过所述支撑杆固定安装在所述支架上，所述转动机构上端与所述动平台相连，所述转动机构下端安装在所述支撑杆或定平台上。加设的柔索导向定位机构能有效地控制所述动平台的运动范围，提高了本机器人的可控性。

在上述方案中，所述转动机构包括轴承支座、转动件和转动固定件，所述转动固定件下端插装在所述支撑杆上，所述转动固定件上端通过第一单列滚针轴承活动安装在所述转动件内，所述转动件两端分别设有第二单列滚针轴承，所述轴承支座分别通过所述第二单列滚针轴承将所述转动件两端压装在所述动平台下表面。当然，也可采用其他结构的转动机构。

在上述方案中，所述支架上对应所述导向定位孔的位置分别设有定滑轮，所述柔索一端与所述气动肌肉的活动端相连，所述柔索另一端绕过所述定滑轮后再穿过所述导向定位孔，最后与所述动平台相连。加设的定滑轮能有效地减小所述柔索与定平台之间的摩擦，提高了柔索的使用寿命。

在上述方案中，所述导向定位孔的数量至少为3，所述气动肌肉和柔索的数量分别与导向定位孔的数量相对应。

在上述方案中，所述导向定位孔的数量为3，所述3个导向定位孔的中心所围成的形状为等腰三角形，所述等腰三角形的中心到顶点的连线a的长度为3~7cm，所述等腰三角形的中心到底边一个端点的连线b的长度为4~8cm，所述a和b的夹角α为90~110°，所述转动机构的转动中心位于所述等腰三角形的中心处。这样的设计进一步地提高了本机器人的可控性。

在上述方案中，所述柔索与动平台下表面的连接点也对应为3个，所述3个连接点所围成的形状也为等腰三角形，所述动平台下表面3个连接点所围成的等腰三角形的中心到顶点的连线A的长度为5~9cm，所述动平台下表面3个连接点所围成的等腰三角形的中心到底边一个端点的连线B的长度为6~10cm，所述A和B的夹角β为120~140°，所述转动机构的转动中心位于所述动平台下表面3个连接点所围成的等腰三角形的中心处，所述动平台的中心也位于所述动平台下表面3个连接点所围成的等腰三角形的中心处。这样的设计进一步地提高了本机器人的可控性。

在上述方案中，所述动平台下表面与所述定平台上表面之间的距离H为7~11cm。

在上述方案中，所述气动肌肉水平安装在所述支架上。

本发明一方面，通过将传统机器人的刚性驱动器替换为气动肌肉，再配合柔索传递动力，解决了病人在康复过程中感觉不适甚至疼痛的问题，有利于病人的康复，且气动肌肉重量轻，使用方便；另一方面，加设的柔索导向定位机构能有效地控制所述动平台的运动范围，提高了本机器人的可控性；再一方面，加设的定滑轮能有效地减小所述柔索与定平台之间的摩擦，提高了柔索的使用寿命；最后，通过优化设计导向定位孔和柔索与动平台下表面的连接点的位置以及动平台和定平台之间的位置关系，进一步地提高了本机器人的可控性。

综上所述，本发明具有结构简单，重量轻，成本低，使用方便且可控性好等特点。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1去掉脚套后的侧视结构示意图；

图3为图1去掉脚套后的俯视结构示意图;

图4为图3去掉动平台后的结构示意图；

图5为本发明中转动机构的结构示意图；

图6为本发明中动平台与定平台的连接关系结构示意图；

图7为本发明中导向定位孔的位置布置结构示意图；

图8为本发明中柔索与动平台连接点的位置布置结构示意图。

在图中，脚套1a，动平台1，转动机构2，轴承支座2a，转动件2b，转动固定件2c，第一单列滚针轴承2d，第二单列滚针轴承2e，驱动机构3，支架4，柔索5，柔索导向定位机构6，定平台6a，支撑杆6b，导向定位孔6c，定滑轮7。

具体实施方式

如图1所示的一种气动肌肉驱动型两自由度脚踝康复并联机器人，包括带有脚套1a的动平台1、转动机构2、驱动机构3和支架4，所述动平台1通过转动机构2活动安装在所述支架4上，所述驱动机构3为气动肌肉，所述气动肌肉安装在所述支架4上，所述气动肌肉的活动端通过柔索5与所述动平台1相连。通过将传统机器人的刚性驱动器替换为气动肌肉，再配合柔索5传递动力，解决了病人在康复过程中感觉不适甚至疼痛的问题，有利于病人的康复，且气动肌肉重量轻，使用方便。所述气动肌肉水平安装在所述支架4上。

上述转动机构2和支架4之间设有柔索导向定位机构6，所述柔索导向定位机构6包括带导向定位孔6c的定平台6a和支撑杆6b，所述定平台6a通过所述支撑杆6b固定安装在所述支架4上，所述转动机构2上端与所述动平台1相连，所述转动机构2下端安装在所述支撑杆6b或定平台6a上。加设的柔索导向定位机构6能有效地控制所述动平台1的运动范围，提高了本机器人的可控性。

上述转动机构2包括轴承支座2a、转动件2b和转动固定件2c，所述转动固定件2c下端插装在所述支撑杆6b上，所述转动固定件2c上端通过第一单列滚针轴承2d活动安装在所述转动件2b内，所述转动件2b两端分别设有第二单列滚针轴承2e，所述轴承支座2a分别通过所述第二单列滚针轴承2e将所述转动件2b两端压装在所述动平台1下表面。当然，也可采用其他结构的转动机构。

上述支架4上对应所述导向定位孔6c的位置分别设有定滑轮7，所述柔索5一端与所述气动肌肉的活动端相连，所述柔索5另一端绕过所述定滑轮7后再穿过所述导向定位孔6c，最后与所述动平台1相连。加设的定滑轮7能有效地减小所述柔索5与定平台6a之间的摩擦，提高了柔索5的使用寿命。

上述导向定位孔6c的数量至少为3，所述气动肌肉和柔索5的数量对应也至少分别为3。所述导向定位孔6c的数量为3，所述3个导向定位孔6c的中心所围成的形状为等腰三角形，所述等腰三角形的中心到顶点的连线a的长度为3~7cm，所述等腰三角形的中心到底边一个端点的连线b的长度为4~8cm，所述a和b的夹角α为90~110°，所述转动机构2的转动中心位于所述等腰三角形的中心处。这样的设计进一步地提高了本机器人的可控性。所述柔索5与动平台1下表面的连接点也对应为3个，所述3个连接点所围成的形状也为等腰三角形，所述动平台1下表面3个连接点所围成的等腰三角形的中心到顶点的连线A的长度为5~9cm，所述动平台1下表面3个连接点所围成的等腰三角形的中心到底边一个端点的连线B的长度为6~10cm，所述A和B的夹角β为120~140°，所述转动机构2的转动中心位于所述动平台1下表面3个连接点所围成的等腰三角形的中心处，所述动平台1的中心也位于所述动平台1下表面3个连接点所围成的等腰三角形的中心处。这样的设计进一步地提高了本机器人的可控性。所述动平台1下表面与所述定平台6a上表面之间的距离H为7~11cm。

本发明通过三个气动肌肉驱动两自由度的动平台1，动平台1与支撑杆6b之间采用两自由度的转动机构2活动连接，气动肌肉与动平台1通过柔索5相连，同时柔索5穿过定平台6a上的导向定位孔6c，气动肌肉与动平台1的连接点组成的平面经过转动机构2的转动中心，通过以上连接实现了动平台1两个自由度的旋转，能够满足脚踝康复的需要。具体使用时，先给气动肌肉充入一定气压的空气，使气动肌肉的初始状态在收缩状态，通过设计柔索5与动平台1、定平台6a连接点的位置并考虑气动肌肉的运动范围，使机器人的工作空间能够满足脚踝的全范围运动。实际生产时，还可以在所述支架4和/或气动肌肉上加设用于分别检测气动肌肉伸缩量和驱动力的位移传感器和力传感器，这样可以通过检测到的气动肌肉伸缩量和驱动力来控制气动肌肉的输出位移和力，实现脚踝康复的力/位控制，使被动康复更安全，也可给脚一定的阻力，实现脚踝的主动康复。

本发明通过将传统机器人的刚性驱动器替换为气动肌肉，再配合柔索5传递动力，解决了病人在康复过程中感觉不适甚至疼痛的问题，有利于病人的康复，且气动肌肉重量轻，使用方便；加设的柔索导向定位机构6能有效地控制所述动平台1的运动范围（即背屈/跖屈、内翻/外翻的运动范围），提高了本机器人的可控性；加设的定滑轮7能有效地减小所述柔索5与定平台6a之间的摩擦，提高了柔索5的使用寿命；通过优化设计导向定位孔6c和柔索5与动平台1下表面的连接点的位置以及动平台1和定平台6a之间的位置关系，进一步地提高了本机器人的可控性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种气动肌肉驱动型两自由度脚踝康复并联机器人，包括带有脚套的动平台、转动机构、驱动机构和支架，所述动平台通过转动机构安装在所述支架上，其特征是所述驱动机构为气动肌肉，所述气动肌肉安装在所述支架上，所述气动肌肉的活动端通过柔索与所述动平台相连；所述转动机构和支架之间设有柔索导向定位机构，所述柔索导向定位机构包括带导向定位孔的定平台和支撑杆，所述定平台通过所述支撑杆固定安装在所述支架上，所述转动机构上端与所述动平台相连，所述转动机构下端安装在所述支撑杆或定平台上；所述转动机构包括轴承支座、转动件和转动固定件，所述转动固定件下端插装在所述支撑杆上，所述转动固定件上端通过第一单列滚针轴承活动安装在所述转动件内，所述转动件两端分别设有第二单列滚针轴承，所述轴承支座分别通过所述第二单列滚针轴承将所述转动件两端压装在所述动平台下表面。

2.根据权利要求1所述的气动肌肉驱动型两自由度脚踝康复并联机器人，其特征是所述支架上对应所述导向定位孔的位置分别设有定滑轮，所述柔索一端与所述气动肌肉的活动端相连，所述柔索另一端绕过所述定滑轮后再穿过所述导向定位孔，最后与所述动平台相连。

3.根据权利要求1所述的气动肌肉驱动型两自由度脚踝康复并联机器人，其特征是所述导向定位孔的数量至少为3，所述气动肌肉和柔索的数量分别与导向定位孔的数量相对应。

4.根据权利要求3所述的气动肌肉驱动型两自由度脚踝康复并联机器人，其特征是所述导向定位孔的数量为3，所述3个导向定位孔的中心所围成的形状为等腰三角形，所述等腰三角形的中心到顶点的连线a的长度为3～7cm，所述等腰三角形的中心到底边一个端点的连线b的长度为4～8cm，所述a和b的夹角α为90～110°，所述转动机构的转动中心位于所述等腰三角形的中心处。

5.根据权利要求4所述的气动肌肉驱动型两自由度脚踝康复并联机器人，其特征是所述柔索与动平台下表面的连接点也对应为3个，所述3个连接点所围成的形状也为等腰三角形，所述动平台下表面3个连接点所围成的等腰三角形的中心到顶点的连线A的长度为5～9cm，所述动平台下表面3个连接点所围成的等腰三角形的中心到底边一个端点的连线B的长度为6～10cm，所述A和B的夹角β为120～140°，所述转动机构的转动中心位于所述动平台下表面3个连接点所围成的等腰三角形的中心处，所述动平台的中心也位于所述动平台下表面3个连接点所围成的等腰三角形的中心处。

6.根据权利要求5所述的气动肌肉驱动型两自由度脚踝康复并联机器人，其特征是所述动平台下表面与所述定平台上表面之间的距离H为7～11cm。

7.根据权利要求1所述的气动肌肉驱动型两自由度脚踝康复并联机器人，其特征是所述气动肌肉水平安装在所述支架上。